PandaX-nT暗物质探测实验读出电子学预研系统的研制

PandaX-nT升级对电子学系统提出了诸多新的挑战,如更多的通道数、高速高精度的波形数字化、灵活的触发算法和更高的数据带宽要求等。本文介绍一种为未来PandaX-nT暗物质直接探测升级实验预研的读出电子学系统。该电子学系统主要由前置放大电路模块、波形数字化模块(FDM)、数据获取模块(DAQ)和时钟分发模块等组成。FDM集成8路14 bit@1 GS/s ADC,具有较高集成度,可实现对探测器信号波形数字化,并通过光纤与DAQ通信。DAQ可汇总多块FDM数据,实现全数字化的触发算法,并通过基于TCP协议的千兆以太网与计算机通信,保证了数据传输的可靠与稳定。目前已完成了整个读出电子学系统设计,并对整个电子学系统进行了功能验证,以及与探测器进行了初步的联合测试。整个电子学系统具有较高的可扩展性,并能实现更复杂的触发算法,能满足下一代升级的需求。     

高密度塑料闪烁体探测器的数据获取系统设计

由中国科学院近代物理研究所承担的塑料闪烁体探测器研究项目,其目标是开展空间粒子探测、重构入射电子轨迹、区分电子和光子、鉴别重离子。为配合该探测器测试工作,设计了一套完备的数据获取电路(DAQ)与上位机软件。DAQ接收4块前端电子学(FEE)板的数据,可完成360路电子学通道的数据读出;接收上位机的控制命令并分发给各FEE;接收探测器的击中信息并产生触发信号;接收FEE的遥测数据并传给上位机。该DAQ与上位机通过USB总线和RS232总线实现实时通信。上位机软件基于LabWindows/CVI软件平台开发,实现对FEE电子学系统的控制、数据读取与保存,以及FEE系统运行状态参数信息的实时显示。该数据获取系统电路结构紧凑、功能完善,上位机软件具有良好的人机交互界面。经现场实际运行,DAQ与上位机软件满足设计要求,目前已成功应用于塑料闪烁体探测器读出电子学测试系统。     

面向暗物质直接探测的原型液氩探测器读出电子学系统设计

针对面向暗物质直接探测的t级原型液氩探测器的信号读出需求,本文设计了1套基于高速、高精度波形数字化技术及PXI Express高速仪器总线技术的读出电子学系统。该系统采用多个波形数字化模块和1个全局触发模块,实现单机箱40路光电倍增管信号的同步采集。系统具有很好的灵活性和可扩展性,通过将多个机箱的触发模块级联可进一步将系统规模扩展至数百通道。该系统研制完成后,配合1个10 kg级的小型液氩探测器开展了单光电子标定和放射源联调测试。通过放射源测试,获得了高质量的液氩探测器闪烁光信号波形。利用脉冲形状甄别算法,可清晰区分核反冲事例和γ事例,初步结果表明,在80~240 pe(光电子)信号幅度范围内的17万个事例中,没有电子反冲信号被误判为中子信号,验证了读出电子学技术路线和设计方案的可行性。     

LHAASO缪子探测器阵列读出电子学系统研制

本文介绍了LHAASO缪子探测器阵列读出电子学系统的设计,系统采用基于wR同步时钟系统的无触发、前端波形数字化方案。同时给出了西藏羊八井样机阵列的性能测试结果,结果表明缪子探测器电子学系统符合设计指标要求。     

基于连续晶体PET探测器模块电子学设计

和传统的基于分割晶体PET探测器相比,基于连续晶体的PET探测器具有设计结构简单、能量分辨率高、探测器效率高以及低造价等优点,近年来得到广泛的研究。基于连续晶体PET探测器的最大难点是要用探测器获得闪烁光分布,进而通过作用点定位算法计算γ光子的作用位置。探测器模块电子学需要读出和获取闪烁光的分布,因而电子学变得相对复杂。论文针对自行建立的基于连续LYSO晶体和神经网络定位算法的PET探测器模块的信号读出和数据获取的要求,设计和实现了64通道数据读出和获取电子学系统。该系统采用8片8通道、50 Mbps、串行输出、12 bit ADC对每个通道进行数字化,从海量的核事例中遴选出有效的核事例,在FPGA内实现数据打包、定时符合、基线恢复等功能。经过测试,电路各通道噪声低,增益一致性好。整个电子学系统结构紧凑、性能优良,适合基于连续晶体PET探测器的相关实验研究和应用研究。     

基于wxWidgets的闪烁晶体阵列探测器数据获取软件设计

介绍了一种用于闪烁晶体阵列探测器读出电子学的数据获取与分析读出软件。软件基于wx Widgets平台开发,采用了模块化设计,上位机通过USB总线与电子学硬件部分通信。软件系统包括命令行接口模块、数据采集模块、参数测量模块、时间和幅度校准模块以及实时显示模块。将软件应用于闪烁晶体阵列探测器系统的调试与测试,结果表明:软件可方便地应用于其它探测器前端电子学的读出系统中,具有广泛的应用前景。     

基于PowerPC MPC5200B处理器的通用高速DAQ模块RAIN100B的设计与实现

基于Freescale公司的400MHz的32位PowerPC微处理器MPC5200B,清华大学工程物理系核系统与控制教研室结合核电子学数据采集系统的需求和特点,设计和研制了RAIN100B的通用高速DAQ模块,能够单模块提供不低于90Mbps的数据带宽,并且成功地使用在了医学物理图像数据采集、GEM探测器数据读出以及大亚湾反应堆中微子实验时钟系统CCG板等核电子学系统中。论文讨论RAIN100B模块的设计原理和具体实现细节,并对几次应用过程和结果进行了讨论。     

基于FELIX的微结构气体探测器读出电子学系统设计

微结构气体探测器因其精度高、面积大等优点,在粒子物理实验中得到了非常广泛的应用。微结构气体探测器的未来应用将面临ASIC种类多、通道数多、数据量大等问题,给读出电子学系统的设计带来了很大的挑战,已成为微结构气体探测器进一步发展应用的瓶颈。FELIX系统具有数据带宽大、通道数多等特点,可很好解决这一问题。基于FELIX的电子学系统由完成探测器信号数字化的前端电子学模块、完成数据汇总的GBT模块、完成数据读出的FELIX系统、完成数据处理的数据处理终端组成,可完成10 240路半数字通道读出或4 096路模拟通道读出。该系统与Micromegas探测器一起实现宇宙线径迹探测,验证了该系统的通用性和兼容性,为微结构气体探测器的应用需求提供了一个通用的解决方案。     

基于FELIX的微结构气体探测器读出电子学系统设计

微结构气体探测器因其精度高、面积大等优点,在粒子物理实验中得到了非常广泛的应用。微结构气体探测器的未来应用将面临ASIC种类多、通道数多、数据量大等问题,给读出电子学系统的设计带来了很大的挑战,已成为微结构气体探测器进一步发展应用的瓶颈。FELIX系统具有数据带宽大、通道数多等特点,可很好解决这一问题。基于FELIX的电子学系统由完成探测器信号数字化的前端电子学模块、完成数据汇总的GBT模块、完成数据读出的FELIX系统、完成数据处理的数据处理终端组成,可完成10 240路半数字通道读出或4 096路模拟通道读出。该系统与Micromegas探测器一起实现宇宙线径迹探测,验证了该系统的通用性和兼容性,为微结构气体探测器的应用需求提供了一个通用的解决方案。     

用于新型塑料闪烁体阵列探测器的多通道前端读出电子学设计

介绍一种用于新型塑料闪烁体阵列探测器系统的前端读出电子学（FEE）的设计与实现,该前端读出电子学主要基于电荷测量专用的集成电路（ASIC）芯片和现场可编程逻辑门阵列（FPGA）研制,可实现对多路探测器信号的采集、处理、筛选、打包,并通过LVDS差分接口上传到后端的数据获取系统（DAQ）。同时,该电路设有板载线性标定电路,可实现对各通道电子学性能刻度,设有电源电流、关键芯片及电路温度实时监控等电路,使电路具有较完善的功能和较强的自我保护能力。     

DAQ software architecture for Aleph, a large HEP experiment

The Aleph experiment has over 700000 electronics channels and is expected to generate over 500 Mbytes of data per second. The data acquisition system (DAQ) has been designed to process information from different parts of the detector in parallel using a large number of processing elements. The authors describe the architecture of the software used to implement the readout functions and to configure the system for data acquisition. The software environment, data-flow architecture, control-flow architecture, FASTBUS management, Aleph resource manager, and Aleph partition manager are discussed     

Design of Readout Electronics System for Prototype LAr-based Direct Dark Matter Detector

The prototype readout electronics system of direct dark matter detection experiments, which is mainly based on high speed and high precision waveform sampling and high speed data transfer techniques, consists of multiple waveform digitization modules (WDMs) and one global trigger module (GTM). The WDM exploits high speed analog-to-digital converter to acquire signals from the photomultiplier tubes (PMTs). The GTM collects hit information from WDMs, generates system trigger signal and fans out synchronous clock to all WDMs via backplane buses. Based on offline pulse shape discrimination method, the nuclear recoil events from a PuC neutron source can be clearly distinguished from gamma events within the energy range of 80 pe (photoelectron) to 240 pe for gamma rays, which indicates the capability of fulfilling the requirements of LAr-based direct dark matter detection experiments in future.     

大亚湾中微子实验波形数据获取软件设计

介绍了大亚湾中微子实验波形数据读出和数据压缩算法的数据获取软件设计。该软件是以大亚湾中微子实验数据获取系统为基础,在不影响现有电子学系统正常取数的前提下,针对一号实验厅新增的一套前端电子学系统实现波形数据的网络读出、检查、组装、压缩和存盘等功能的软件系统。文中详细说明了波形数据的读出流程以及不同数据压缩方法的实现,并给出了软件的长期稳定性测试结果。     

BES-ⅢTOF子触发系统触发判选功能在可编程逻辑器件中的实现

北京正负电子对撞机谱仪的飞行时间计数器触发子系统,需从前端读出电子学接收368 bits快时间击中信号,按物理实验要求的触发逻辑产生7 bits触发条件信息,实时发送给主触发逻辑,以产生一级触发信号L1;并向径迹配对逻辑实时发送136 bits位置信息,以推算粒子飞行径迹;同时根据L1信号对事例进行判选、组装,向DAQ系统提供所有有效事例的数据包,以供离线分析.我们对该系统研制秉持可重构的设计理念,大量使用可编程逻辑器件FPGA,增加设计的灵活性和可靠性,减小印刷电路板设计的复杂度,节省PCB布板空间.本文介绍主触发处理FPGA中核心触发逻辑功能的设计与实现.     

空间单粒子翻转甄别与定位系统原理样机的设计及试验

单粒子翻转（SEU）是影响空间电子设备可靠性的重要因素,本文提出了一种SEU甄别与定位技术方法,研制了原理样机。硅探测器与辐照敏感器件在垂直方向相互临近安装,粒子入射到硅探测器的位置区域与目标辐照器件单粒子翻转的物理位置相对应。采用波形数字化技术实现了多道粒子甄别与能量信号测量,通过数据回读比较法实现了SRAM器件翻转逻辑定位检测。根据实验室测试和单粒子辐照试验结果,可探测高能粒子的LET≥6?06×10-3 MeV·cm2/mg,入射粒子的位置分辨率优于5 mm,最大计数率≥10 000 s-1,SRAM器件的SEU巡检周期时间分辨率为13?76 ms。通过掌握大容量SRAM型器件的SEU甄别与定位及其辐射环境感知能力,有助于提升空间电子设备的在轨工作性能。